Отечественная тонкопленочная пьезоэлектроника выходит на лидирующие позиции
Предназначенная для бортового оборудования новейших истребителей МиГ-29КР/КУБР и Су-35, а также вертолетов Ка-52 пьезоэлектрическая наклонная платформа ПНП-10 превосходит многие мировые аналоги. Она разработана и запущена в производство зеленоградским научно-исследовательским институтом «Элпа».
Российский экспорт вооружений активно растет уже несколько лет подряд, свидетельствует Стокгольмский институт исследований проблем мира (SIPRI). Истребители МиГ-29 и Су-30, вертолеты Ми-35М и Ми-28, танки Т-90А, тяжелые огнеметные системы ТОС-1А – далеко не полный перечень хитов отечественного ОПК на мировом рынке. Но как справедливо отмечают эксперты, методика, используемая SIPRI, – подсчет так называемых платформ, то есть поставленных заказчикам готовых изделий, не дает достоверной картины, ведь многие страны поставляют за рубеж в первую очередь микроэлектронику, высокотехнологичные элементы, узлы и агрегаты.
Следует признать, что до недавнего времени проблема создания собственной элементной базы, а также разработка и серийный выпуск на ее основе узлов и агрегатов для различных образцов вооружения и военной техники стояли перед отечественной промышленностью достаточно остро. Программа импортозамещения пусть и с трудом, но смогла развернуть ситуацию, и сейчас нам уже есть чем гордиться.
Секрет сверхточности
Если сравнивать фото и видео современных российских истребителей с их западными «конкурентами», на наших машинах сразу бросается в глаза характерный каплевидный выступ, расположенный перед кабиной пилота, – так называемая оптико-локационная станция (ОЛС). Раньше она предназначалась исключительно для поиска летательных аппаратов противника по их инфракрасному излучению. Новейшие ОЛС-У (для истребителей МиГ-29К/КУБ), ОЛС-35 (Су-35) и другие способны обнаруживать, захватывать и сопровождать воздушные, наземные и надводные цели, подсвечивать их лазерным излучением и т. д.
Понятно, что для выполняющих полеты на сверхзвуковых скоростях истребителей в условиях воздушного боя и при нанесении ударов по наземным объектам точность перемещения оптических и лазерных систем, составляющих основу оптико-локационных станций, должна измеряться не сантиметрами и даже не миллиметрами, а микрометрами. Но как добиться такой точности?
В настоящее время для управления прецизионными и адаптивными оптическими системами используются устройства, в основе которых лежат так называемые актюаторы из тонкопленочной пьезокерамики.
«Делается слой толщиной от 10 до 100 микрон, а из таких слоев формируется пьезопакет, достигающий толщины от 2 до 100 миллиметров. При приложении определенного потенциала к структуре пьезопакета он может осуществлять достаточно большие перемещения, в некоторых случаях до 100 микрон. Если для управления твердой керамикой требуется напряжение до одного киловольта, то для тонкослойной – от 90 до 150 вольт», – раскрывает преимущества разработки генеральный директор ОАО «НИИ «Элпа» Сергей Нерсесов.
Интересно, что для управления зеркалами, установленными в новейших оптико-локационных станциях ОЛС-УЭ закупленных военно-морскими силами Индии палубных истребителей МиГ-29К/КУБ, использовался блок с пьезоприводами семейства S-330 немецкой фирмы «Физик инструментс» (Physik Instruments).
Пьезонаклонная платформа S-330 – высокотехнологичное изделие с углами наклона до 10 мрад (миллирадиан), в основе которого лежат две пары дифференциально-управляемых актюаторов. Следует отметить, что данные платформы не только стоят в российских ОЛС, но и активно закупаются американскими, французскими, израильскими фирмами – изготовителями высокоточных авиационных оптико-электронных систем.
Но для наших МиГ-29К/КУБР, которые в ближайшее время пополнят авиационный парк палубной авиации ВМФ России, инженеры-разработчики НИИ «Элпа» смогли создать свою пьезоплатформу ПНП-10, не только не уступающую S-330, но и по определенным характеристикам превосходящую ее.
«Наша пьезоплатформа состоит из четырех актюаторов, расширяющихся на 40 микрон при подаче напряжения. Система управления ПНП обеспечивает перемещение актюаторов по специальной программе. Сами актюаторы воздействуют на платформу, на которой расположено поворотное зеркало, отклоняющееся в двух плоскостях (оси Х и У. – А.Р.) на 10 мрад. На дальности до пяти километров наши платформы обеспечивают точность наведения до одного метра», – рассказывает разработчик уникальной пьезоплатформы Анатолий Гриценко.
В ПНП-10 специалисты из Зеленограда внедрили собственное ноу-хау – тензорезисторы, используемые для обратной связи и устранения так называемого увода. «На наших актюаторах размещаются специальные тензорезисторы, использующиеся для обратной связи, за счет чего увеличивается разрешение (минимально возможное перемещение рабочего тела актюатора на единицу подаваемого напряжения. – А.Р.). Чтобы было понятно: без тензорезисторов точность работы актюаторов – 10–15 нанометров, а с использованием тензорезисторов этот показатель достигает одного нанометра! Соответственно увеличивается точность наведения», – объясняет суть новшества Андрей Дайнеко, директор центра управления проектами НИИ «Элпа».
Но точность актюатора зависит не только от использования тензоризисторов. Важнейшую роль играет источник питания, который непосредственно подает ток на несколько пьезоплатформ. Сам ИП – это фактически мини-компьютер, в основе которого лежит программируемый блок, подающий в зависимости от полученной команды электрические импульсы на актюаторы платформ по сложным алгоритмам.
«Наш источник питания – отдельная оригинальная разработка, выполненная НПК «СПП» из Великого Новгорода. Он обеспечивает точность подачи напряжения до десятка нановольт, за счет этого многократно увеличивается разрешение позиционирования самого зеркала. Ведь актюатор отслеживает любые колебания напряжения, что серьезно влияет на его точность», – комментирует Андрей Дайнеко.
Но не только высокая точность отличает российское изделие от зарубежных аналогов. В частности, в электронно-оптических системах, где используются немецкие S-330, зачастую бывают отказы, так как актюаторы не всегда выдерживают слишком большие боковые изгибы и разваливаются при возникающих перегрузках. «Разрабатывая ПНП-10, мы сразу обратили внимание на проблему живучести актюаторов и увеличили площадь их сечения в полтора раза. Возросла прочность, а значит, стала выше ресурсная наработка. Провели испытание на долговечность и достигли показателя 30 тысяч часов. Ставили три актюатора, подавали на них напряжение и непрерывно «долбили» их при температуре +85 градусов. В процессе испытания через каждую тысячу часов замеряли физические свойства. 30 тысяч часов – имеется в виду непрерывная работа. Если измерять в импульсах, то этот показатель многократно увеличится. Самолет столько не живет!», – отмечает Виктор Никифоров, заместитель руководителя научно-производственного комплекса по науке.
В настоящее время ПНП-10 проходят испытания в составе оптико-локационных станций, предназначенных для истребителей МиГ-29КР/КУБР, Су-35, и в составе системы лазерной подсветки цели новейших разведывательно-ударных вертолетов Ка-52.
Круг возможного применения ПНП-10 – для прицельного комплекса «Аллигатор», а также подвесного прицельного контейнера, который планируется для использования на таких машинах, как Су-35, МиГ-29 и Т-50.
Взгляд в будущее
Конструкторы и инженеры НИИ «Элпа» не стоят на месте. Сейчас, когда ПНП-10 доведена до серийного производства, на ее базе планируется создать линейку пьезоплатформ, различающихся разрешением, величиной перемещения и т. д. Кстати, благодаря уникальной технологии самой тонкопленочной пьезокерамики, разработанной в НИИ «Элпа» за несколько лет фактически с нуля, актюаторы получаются дешевле, чем у иностранных конкурентов.
«Актюатор многослойный, а значит, на нем много контактов. При изготовлении слои спекаются при очень высоких температурах, поэтому для контактных площадок используется палладий – не самое дешевое сырье. Мы же нашли способ уменьшить температуры спекания, что привело к сокращению потребности в палладии более чем на 30 процентов. Соответственно упала и себестоимость. Чтобы читателям было понятно: актюатор набирается из так называемых кубиков. К примеру, в одном 70-миллиметровом актюаторе ПНП-10 их 30. На мировом рынке стандартная цена одного 40–50-слойного кубика порядка четырех евро. Наш обойдется примерно на четверть дешевле. А линия по производству тонкопленочной пьезокерамики уже сейчас готова выпускать до миллиона таких кубиков в год», – констатирует Андрей Дайнеко.
На базе ПНП-10 также создается пьезоплатформа линейного перемещения, то есть двигающаяся в плоскостях не только Х и У, но и Z. Такое изделие востребовано и в авиации, и для космических программ, необходимо для разведывательных систем, а также высокоточного оружия. По словам представителей НИИ «Элпа», институт ведет в этом направлении совместные работы с несколькими предприятиями, но говорить о конкретных результатах пока рано.
Еще одно важное применение тонкопленочной пьезокерамики – системы виброгашения. «Первыми их испытали американские авиапроизводители на самолете F-16. Для гашения вибраций хвостового оперения использовались специальные панели из ленточных актюаторов. Принцип работы достаточно простой. У нас есть элемент конструкции самолета, который колеблется, а мы в противофазе ставим актюатор, который давит с противоположной стороны. Наш институт предлагает более интересный вариант – использовать пьезоплатформы как своего рода амортизаторы. В частности, это очень важно для узлов и агрегатов атомных подводных лодок. Мы проводили совместные исследования с институтом механики РАН и пришли к выводу: если на некоторые узлы и механизмы АПЛ установить ПНП, то можно свести вибрацию практически к нулю!» – резюмирует Андрей Дайнеко.
НИИ «Элпа» – предприятие, создавшее за считаные годы не только собственную пьезоплатформу, но и уникальную технологию тонкопленочной пьезокерамики, позволяющую серийно выпускать новые, во многом не имеющие в мире аналогов изделия, которые находят применение во многих отраслях ОПК.
Алексей Рамм
Опубликовано в выпуске № 49 (615) за 23 декабря 2015 года
